基于MARX原理的脉冲功率源技术
基于Marx和LTD拓扑的全固态复合模式脉冲源的研制
基于Marx和LTD拓扑的全固态复合模式脉冲源的研制王昌金;姚陈果;董守龙;马剑豪;谭坚文【摘要】针对不同应用领域中负载阻抗的多样性,研制一种基于Marx和直线型变压器驱动源(LTD)拓扑的复合模式脉冲源.该脉冲源包含4个LTD模块,且每个LTD 模块由1个3级Marx电路组成.其主要优点是可以降低对隔离电源模块、触发同步性的要求,负载适应能力强,并且可使脉冲装置小型化.首先对该脉冲源拓扑结构和参数进行设计和理论计算,并采用PSpice软件验证其可行性,最后研制复合模式脉冲源的样机并测试其性能.该脉冲源采用MOSFET作为主开关,二极管作为隔离元件,用含锁相环功能的现场可编程门阵列(FPGA)产生控制信号.该脉冲源的输出脉冲参数:幅值为0～8 kV,脉宽为60～160 ns,脉宽步进可达1 ns,重复频率为1 kHz,上升沿约10 ns.通过FPGA产生相移控制信号对该脉冲源的每级进行单独控制,可实现对输出脉冲上升沿和下降沿的灵活调节.脉冲源采用模块化设计,可以通过增加模块数量方便地提高最大输出电压.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2018(033)013【总页数】9页(P3089-3097)【关键词】脉冲源;Marx;直线型变压器驱动源;固态开关;现场可编程逻辑门阵;列锁相环【作者】王昌金;姚陈果;董守龙;马剑豪;谭坚文【作者单位】输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆400030;输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆 400030;输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆 400030;输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆 400030;输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学) 重庆 400030【正文语种】中文【中图分类】TM8320 引言近年来，随着脉冲功率技术的快速发展和应用领域的不断拓宽，脉冲源在生物电脉冲治疗[1,2]、食品加工[3]、水处理[4]、等离子体产生[5]等领域的需求日渐增大。
《基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统的设计及应用》
《基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统的设计及应用》一、引言随着现代电子技术的飞速发展，电磁脉冲（EMP）对电子设备和系统的干扰问题日益突出。
电磁脉冲抗扰系统作为一种重要的防护手段，其设计和应用显得尤为重要。
本文将介绍一种基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统的设计及应用，旨在提高电子设备和系统的抗干扰能力，保障其正常运行。
二、MARX发生器概述MARX发生器是一种能够产生高电压、大电流的脉冲发生器。
其工作原理是通过多个电容器串联，形成一个高电压脉冲序列，然后通过开关放电，产生高能量的电磁脉冲。
MARX发生器具有高能量、高重复频率、高稳定性等优点，被广泛应用于电磁脉冲抗扰系统的设计。
三、电磁脉冲抗扰系统的设计1. 系统架构设计基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统主要由MARX发生器、脉冲形成网络、耦合装置、测量与控制系统等部分组成。
其中，MARX发生器负责产生高电压脉冲，脉冲形成网络负责将脉冲整形，耦合装置将电磁脉冲引入被保护设备，测量与控制系统则负责监控整个系统的运行状态。
2. 关键部件设计（1）MARX发生器设计：根据系统需求，设计合适数量的电容器串联，以及适当的开关和充电电路，以产生满足要求的电磁脉冲。
（2）脉冲形成网络设计：采用适当的传输线和元件，将MARX发生器产生的脉冲进行整形，以满足被保护设备的抗干扰需求。
（3）耦合装置设计：根据被保护设备的特性和电磁脉冲的参数，设计合适的耦合装置，将被保护设备与电磁脉冲抗扰系统连接起来。
四、系统应用基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统可广泛应用于军事、航空、航天、铁路、电力等领域的电子设备和系统中。
在军事领域，该系统可用于提高武器系统的抗干扰能力，保障其正常运行；在航空、航天领域，该系统可用于保护飞机、卫星等设备的电子系统免受电磁干扰；在铁路、电力等领域，该系统可用于提高铁路信号系统、电力系统等关键设施的抗干扰能力，保障其安全稳定运行。
五、实验结果与分析通过实验验证，基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统具有以下优点：1. 高能量：MARX发生器能够产生高能量的电磁脉冲，满足不同设备的抗干扰需求。
《基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统的设计及应用》
《基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统的设计及应用》一、引言随着现代电子技术的飞速发展，电磁脉冲（EMP）对电子设备和系统的干扰问题日益突出。
电磁脉冲抗扰系统作为保护电子设备免受电磁干扰的重要手段，其设计和应用显得尤为重要。
本文将介绍一种基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统的设计及应用，以期为相关领域的研究和应用提供参考。
二、系统设计1. 系统概述本系统以MARX发生器为核心，通过产生高电压、大电流的电磁脉冲信号，对电子设备进行抗扰测试。
系统主要包括MARX 发生器、脉冲形成网络、能量输出电路、控制系统及测量装置等部分。
2. 核心部件设计（1）MARX发生器设计MARX发生器是本系统的核心部件，其作用是产生高电压、大电流的脉冲信号。
设计时需考虑其电压、电流的稳定性、可靠性及重复性等指标。
此外，还需考虑其与脉冲形成网络的配合，以确保脉冲信号的传输效率和准确性。
（2）脉冲形成网络设计脉冲形成网络用于将MARX发生器产生的脉冲信号进行整形和放大，以满足抗扰测试的需求。
设计时需考虑其响应速度、稳定性及抗干扰能力等因素。
3. 系统工作流程系统工作时，首先由控制系统发出指令，触发MARX发生器产生脉冲信号。
然后，脉冲信号通过脉冲形成网络进行整形和放大，再通过能量输出电路对电子设备进行抗扰测试。
在测试过程中，测量装置实时监测并记录数据，以便后续分析。
三、系统应用本系统可广泛应用于军事、航空、航天、船舶、电力等领域的电子设备抗扰测试。
在军事领域，可用于雷达、导弹制导等设备的抗干扰性能测试；在航空、航天领域，可用于飞机、卫星等设备的电磁兼容性测试；在船舶和电力领域，可用于船舶电力系统和变电站的电磁干扰防护。
四、实验与分析为验证本系统的性能，我们进行了多次实验。
实验结果表明，本系统能够产生稳定、可靠的电磁脉冲信号，且具有较高的重复性。
在抗扰测试中，本系统能够有效地模拟各种电磁干扰场景，为电子设备的抗干扰性能提供有力的测试手段。
《基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统的设计及应用》
《基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统的设计及应用》一、引言随着现代电子技术的飞速发展，电磁脉冲（EMP）对电子设备和系统的干扰问题日益突出。
电磁脉冲抗扰系统作为一种重要的防护手段，其设计和应用显得尤为重要。
本文将介绍一种基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统的设计及其实用性。
二、系统设计（一）系统架构基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统主要由MARX发生器、能量传输网络、抗扰装置和控制系统四部分组成。
其中，MARX发生器负责产生高电压脉冲，能量传输网络负责将脉冲能量传输至抗扰装置，控制系统则负责整个系统的控制和协调。
（二）MARX发生器设计MARX发生器是本系统的核心部件，其作用是产生高电压脉冲。
设计时需考虑其电压等级、脉冲宽度、重复频率等参数。
通过优化电路结构，提高MARX发生器的效率，降低能耗。
（三）能量传输网络设计能量传输网络负责将MARX发生器产生的脉冲能量传输至抗扰装置。
设计时需考虑传输效率、损耗、抗干扰能力等因素。
采用合适的传输介质和结构，确保能量传输的稳定性和可靠性。
（四）抗扰装置设计抗扰装置是本系统的关键部件，用于抑制电磁脉冲对电子设备和系统的干扰。
设计时需根据具体应用场景和需求，选择合适的抗扰方式和手段。
例如，可采用滤波、屏蔽、隔离等措施，提高设备的抗扰能力。
（五）控制系统设计控制系统负责整个系统的控制和协调，包括脉冲产生、传输、抗扰等过程的控制。
设计时需考虑控制精度、响应速度、稳定性等因素。
采用先进的控制技术和算法，确保系统的稳定运行和高效性能。
三、系统应用（一）军事领域应用基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统在军事领域具有广泛的应用前景。
例如，可用于军事装备的电磁防护，提高装备的抗干扰能力和作战性能。
同时，还可用于战场电磁环境监测和评估，为军事行动提供可靠的电磁环境保障。
（二）民用领域应用此外，该系统在民用领域也有广泛的应用。
例如，可用于电力、交通、通信等领域的电磁防护，提高设备和系统的稳定性和可靠性。
基于MARX原理的脉冲功率源技术
S22
S32
+
Time (50 ns/div)
S12 C2 S42
50 100 150
负 载
+ Ca1 S11
+ Cb1 S21
RB1 Tr1
S21
S31
+
S11 C1 S41
全固态Marx发生器驱动及短路保护
•固态Marx 发生器波形调节
电压过冲和上升沿校正
基于IGBT的单极性全固态Marx发生器
目录
1. 固态开关应用于脉冲功率的几个关键技术问题 2. 固态开关脉冲电压叠加技术 3. 固态开关脉冲压缩和陡化技术 4. 大电流固态开关在脉冲功率应用发展趋势
1. 固态开关应用于脉冲功率 几个关键技术问题
固态开关应用于脉冲功率的优势
1 可靠性高，稳定 2 使用寿命长 3 附加设备少，基本免维护 4 较高的重复频率
•固态开关Marx发生器负载能力
负载
负载
•电阻 ------ C对R 放电 •电容 ------ C1对C2充电 •电感 ------ C 对 L 谐振 或 C驱动变压器 •等离子体放电间隙（电弧放电）------ 短路保护 •介质阻挡间隙负载 ------ 充电+放电截止
单极性全固态Marx电路: 电感隔离
电流 3.5 kA 3 kA 6 kA 800 A 50 A 400 A 300 A 300 A 2 kA
额定频率 300 Hz 500 Hz 1 kHz 10 kHz 1 MHz 20 kHz 100 kHz 10 kHz 20-100 kHz
功率/ kW
随着额定功率的 增加频率降低
105
SCR
GTO
DnCn
基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器
基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器【摘要】本文介绍了基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器的研究。
在分析了该领域的研究背景和问题意义。
在正文中，详细阐述了Marx发生器原理、脉冲变压器设计、高频高压微纳秒脉冲发生器性能测试、实验结果分析以及应用前景展望。
结尾部分对Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器的可行性进行了讨论，并提出了未来研究方向。
总结了本文的研究成果。
通过本文的研究，展示了基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器的潜在应用前景，为相关领域的研究提供了新的思路和方法。
【关键词】Marx发生器、脉冲变压器、高频高压微纳秒脉冲发生器、性能测试、实验结果分析、应用前景、可行性、未来研究方向、总结、脉冲技术、高压技术、微纳秒脉冲、电子器件。
1. 引言1.1 研究背景高频高压微纳秒脉冲发生器在科学研究和工程应用中起着重要作用，它可以生成高频高压的脉冲信号，适用于等离子体物理、激光技术、医学诊断等领域。
传统的脉冲发生器存在体积大、功耗高、工作频率低等问题，难以满足现代高频高压脉冲应用的需求。
结合Marx发生器和脉冲变压器的设计思路，将能够实现高频高压微纳秒脉冲发生器的小型化、高效化和高可靠性。
本文将重点研究Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器的设计原理和性能测试，探讨其在等离子体物理、激光技术等领域的应用前景，为未来相关研究提供参考。
1.2 问题意义高频高压微纳秒脉冲发生器在科研和工程应用中具有重要意义。
随着科技的不断发展，对更高频率、更高压力和更短脉冲宽度的要求越来越高。
目前市面上的脉冲发生器往往存在频率较低、压力较小、波形不稳定等问题，无法满足实际需求。
研发基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器具有重要的现实意义。
在科研领域，高频高压微纳秒脉冲发生器可以被广泛应用于等离子体物理研究、电子束加速器、强激光器驱动等领域。
通过精确地控制脉冲频率、脉冲宽度和脉冲幅度，研究人员可以开展更深入的实验研究，从而推动相关科学领域的发展。
《基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统的设计及应用》
《基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统的设计及应用》一、引言随着现代电子技术的快速发展，电磁脉冲干扰问题日益突出，对电子设备的正常运行构成了严重威胁。
为应对这一问题，本文提出了一种基于MARX发生器的电磁脉冲抗扰系统设计，并详细探讨了其应用及实施效果。
二、MARX发生器简介MARX发生器是一种高压脉冲发生器，其基本原理是通过级联的电容器组和触发电路，产生高电压、大电流的电磁脉冲。
这种发生器具有输出脉冲幅度高、重复频率可调、能量可调等优点，因此在电磁脉冲抗扰系统中具有广泛的应用前景。
三、电磁脉冲抗扰系统设计1. 系统架构设计本系统主要由MARX发生器、脉冲形成网络、信号处理模块、控制模块和输出设备等部分组成。
其中，MARX发生器负责产生高电压、大电流的电磁脉冲；脉冲形成网络用于调整脉冲的宽度和形状；信号处理模块负责对接收到的信号进行滤波、放大和整形等处理；控制模块则负责整个系统的控制和协调。
2. 关键技术及参数设计（1）MARX发生器的设计：根据系统需求，选择合适的电容器组和触发电路，确保输出脉冲的幅度、重复频率和能量等参数满足要求。
（2）脉冲形成网络的设计：采用适当的电路结构和参数，使脉冲宽度和形状满足抗扰需求。
（3）信号处理模块的设计：选用高性能的滤波器、放大器和整形电路，确保信号处理的准确性和可靠性。
（4）控制模块的设计：采用微处理器或FPGA等控制器件，实现系统的自动化控制和数据处理。
四、系统应用本电磁脉冲抗扰系统可广泛应用于电力、交通、通信、军事等领域，对提高电子设备的抗干扰能力和可靠性具有重要意义。
具体应用场景包括：1. 电力行业：可用于变电站、输电线路等电力设备的电磁干扰防护，提高电力系统的稳定性和安全性。
2. 交通行业：可用于铁路、地铁等交通设备的电磁干扰防护，确保交通设备的正常运行和乘客的安全。
3. 通信行业：可用于基站、交换机等通信设备的电磁干扰防护，提高通信质量和可靠性。
4. 军事领域：可用于雷达、导弹等军事设备的电磁干扰防护，提高军事设备的作战能力和生存能力。
基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器
基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器【摘要】本文介绍了基于Marx和脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器的设计与研究。
首先探讨了Marx发生器的原理和脉冲变压器的作用，然后详细阐述了高频高压微纳秒脉冲发生器的设计过程，并对其工作原理进行了深入分析。
通过实验结果与分析，验证了该脉冲发生器的可靠性和稳定性。
在结论部分总结了研究成果的意义，展望了未来的发展方向。
本研究为高频高压微纳秒脉冲发生器的设计与应用提供了重要参考，对于相关领域的研究具有重要意义。
【关键词】Marx发生器、脉冲变压器、高频、高压、微纳秒、脉冲发生器、工作原理、实验结果、总结、展望、研究成果。
1. 引言1.1 研究背景为了解决现有高频高压微纳秒脉冲发生器存在的问题，研究人员开始探索基于Marx+脉冲变压器的新型设计方案。
通过结合Marx发生器和脉冲变压器的优点，设计出了更高效、更稳定的高频高压微纳秒脉冲发生器。
该设计方案不仅增加了输出功率，提高了转换效率，还提高了系统的稳定性和可靠性，为各种领域的应用提供了更好的解决方案。
对于基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器的研究具有重要意义，将推动该领域的发展并促进相关技术的应用与推广。
1.2 研究意义高频高压微纳秒脉冲发生器在科技领域具有重要的应用价值，其研究意义主要体现在以下几个方面：1. 改善工业生产效率：高频高压微纳秒脉冲发生器可以在工业中用于精准的材料处理、脉冲激光加工等领域，提高工业生产效率和产品质量。
2. 推动科学研究进展：该技术在科学研究中有广泛的应用，可用于对材料性质、原子分子结构等进行研究，推动科学研究领域的发展。
3. 拓展医疗领域应用：高频高压微纳秒脉冲发生器可用于医疗诊断、治疗等方面，如超声波成像、激光治疗等，有望为医疗领域带来新的突破。
4. 推动技术创新：该技术的研究有助于推动电子技术、光电子技术等领域的创新，提升我国在相关技术领域的国际竞争力。
基于模块化Marx电路和传输线变压器的重频纳秒脉冲源设计
2017年4月电工技术学报Vol.32 No. 8 第32卷第8期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Apr. 2017基于模块化Marx电路和传输线变压器的重频纳秒脉冲源设计李江涛1赵政1钟旭2曹辉1郑敏军1（1. 西安交通大学电气工程学院西安 7100492. 国网四川省电力公司天府新区供电公司成都 610041）摘要重频纳秒脉冲激励的大气压等离子体放电具有反应活性高等优点。
设计了基于模块化雪崩三极管Marx电路和传输线变压器的重频纳秒脉冲源。
计算不同Marx模块的导通时延和输出波形的抖动，研究了磁心数量、位置和形状对于输出波形的影响。
磁心电感越大、外径与内径之比越大，且位于传输线变压器第一级和最高一级时对脉冲叠加效率的提升作用越明显。
提出直接叠加和传输线变压器两种脉冲叠加方式组合的方法，进一步提高输出电压。
整体脉冲源可以在50～300Ω负载产生2～14kV，高阻负载产生4～25kV，前沿3.8ns，脉宽7～15ns，重复频率0～10kHz的重频纳秒脉冲电压，装置结构紧凑，参数调节灵活，方便携带。
关键词：雪崩三极管Marx电路传输线变压器脉冲叠加等离子体电源中图分类号：TM832Design of Repetitive Nanosecond Pulse GeneratorBased on Modularized Marx Circuit and TransmissionLine TransformerLi Jiangtao1 Zhao Zheng1 Zhong Xu2 Cao Hui1 Zheng Minjun1（1. School of Electrical Engineering Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China2. Tianfu Electric Power Supply Company State Grid Sichuan Electric Power CompanyChengdu 610041 China）Abstract Atmospheric pressure plasma discharge excited by repetitive nanosecond pulsed voltage has high reactive ability. A repetitive nanosecond pulse generator was designed based on the modularized avalanche transistor Marx circuit and transmission line transformer (TLT). The delay time and jitter of output pulse waveform of different Marx modules were calculated. The impacts of magnetic cores quantity, position and dimension on the output pulse amplitude were analyzed. The pulse combination efficiency of TLT was remarkably improved by increasing the induction, increasing the ratio of outer diameter to inner diameter of magnetic cores and adopting magnetic cores on the first and top stages. Utilizing both the direct combination and TLT, the amplitude of output pulse was further improved. The generator can produce 2～14kV pulses into 50～300W resistive load and 4～25kV pulses into high impedance load, where the pulses have 3.8ns rise time, 7～15ns pulse width and 0～10kHz repetitive frequency. The output parameters of the compact generator can be adjusted flexibly.Keywords：Avalanche transistor, Marx circuit, transmission line transformer, pulse combination, plasma generator收稿日期 2016-08-02 改稿日期 2017-01-19122 电工技术学报 2017年4月0引言大气压等离子体放电是近年来国内外研究热点，具有反应活性高、宏观温度低等优点，广泛应用于材料表面处理、生物医学等[1,2]。
一种基于雪崩管Marx发生器和LTD电路的脉冲电源[发明专利]
![一种基于雪崩管Marx发生器和LTD电路的脉冲电源[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/2b177a1759fb770bf78a6529647d27284b7337dc.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011555807.3(22)申请日 2020.12.24(71)申请人 西安交通大学地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号(72)发明人 丁卫东 邓子琛 袁琪 任林渊 申赛康 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任公司 61200代理人 王艾华(51)Int.Cl.H03K 3/335(2006.01)(54)发明名称一种基于雪崩管Marx发生器和LTD电路的脉冲电源(57)摘要本发明公开了一种基于雪崩管Marx发生器和LTD电路的脉冲电源，采用包括m个分区的M级LTD电路，每个分区包括N级Marx电路，每级Marx电路包括n只串联的雪崩管，触发单元与每级LTD电路的触发输入端连接，高压直流电源1与每级LTD电路的充电回路连接，M级LTD电路的副边串联输出高压纳秒脉冲，采用还有m个分区的M级LTD电路，每一个分区的Marx电路的输出端接每一级LTD电路的原边，M级LTD串联在副边输出快前沿重复频率高压纳秒脉冲，n只雪崩管串联的雪崩管相比于单雪崩管单级Marx电路输出电压大大提高，并且在每只雪崩管的两端都并联了阻值大的均压电阻均压，防止雪崩管分压不均，使输出脉冲在电压、电流的稳定高效，并且极大地改善了每一分区Marx电路中雪崩管的导通状态。
权利要求书1页 说明书5页 附图4页CN 112636724 A 2021.04.09C N 112636724A1.一种基于雪崩管Marx发生器和LTD电路的脉冲电源，其特征在于，包括高压直流电源(1)、触发单元(2)和M级LTD电路，每级LTD电路包括m个分区，每个分区包括N级Marx电路，每级Marx电路包括n只串联的雪崩管，触发单元(2)与每级LTD电路的触发输入端连接，高压直流电源1与每级LTD电路的充电回路连接，M级LTD电路的副边串联输出高压纳秒脉冲，其中，M≥1，m≥1，N≥1。
基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器
物联网技术 2020年 / 第5期iCAN Forum8重庆大学廖志刚，潘冠位，李佳龙，丁建云，刘新星x+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器摘 要：团队依托于重庆大学输配电装备与系统安全及新技术国家重点实验室，基于Marx+脉冲变压器，完成了具有快速上升前沿的高频高压微纳秒脉冲发生器，并生产出成熟的设备，旨在解决交叉学科背景下应用者因脉冲功率学科技术门槛而难以自主研发、熟练应用脉冲发生器的问题，填补了市场空白，为使用者提供了一个性能优良、高效、使用简单、可靠性高、价格低廉的脉冲发生器。
关键词：Marx ；脉冲变压器；脉冲发生器1 作品简介研制的高频高压微纳秒脉冲发生器性能优越，主要表现在以下方面。
（1）损耗小，能量传输效率高。
采用环形闭合磁芯及同轴绕组，减小回路漏感及分布电容，损耗极小，能量传输效率达94.6%。
（2）速度快，能够实现多种应用。
脉冲上升前沿仅160 ns ，无过冲现象，可用于治疗肿瘤、提高细胞融合率、国防军工等。
（3）自动化程度高，降低人力成本。
由液晶显示屏输入参数，通过控制FPGA 实现对固态开关的控制，通过调节输入电压精确调节放电能量，简单方便。
（4）适用范围广，绿色环保。
高压高频固态脉冲发生器输出电压0～10 kV 可调，输出脉宽200 ns ～10 μs 可调，适用于多种应用场景，同时系统使用节能手段，大大减少了对环境的污染。
2 工作原理电路原理图如图1所示。
图1 电路原理图接通设备电源后，外接电源对充电电源充电，充电电源经由充电电阻、单向二极管对两级Marx 电路充电，然后由FPGA 逻辑编程控制器对IGBT 固态开关发送控制信号，控制其导通，之后电容对脉冲变压器初级绕组放电，形成脉冲信号，再通过脉冲变压器升压，最终输出高压脉冲。
脉冲电压幅值由充电电源、脉冲变压器变比决定，脉冲宽度由固态开关开通关断时间决定，脉冲前沿由固态开关导通时间决定，脉冲频率由固态开关工作频率决定。
基于Marx发生器的中小型电磁脉冲模拟器驱动源
073203-1第30卷第7期强激光与粒子束V o l .30,N o .7 2018年7月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S J u l .,2018 基于M a r x 发生器的中小型电磁脉冲模拟器驱动源*贾 伟1,2, 陈志强1,2, 郭 帆1,2, 谢霖燊1, 杨 天1, 汤俊萍1, 金廷军1, 邱爱慈1,2(1.西北核技术研究所强脉冲辐射模拟与效应国家重点实验室,西安710024;2.西安交通大学电气绝缘与电力设备国家重点实验室,西安710049) 摘 要: 为满足不同尺寸效应物抗强电磁脉冲(E M P )性能试验的需求,产生覆盖范围更全面㊁波形更理想的模拟电磁环境,对基于M a r x 发生器的一级脉冲陡化E M P 模拟器驱动源的基本构成与工作原理进行了介绍㊂结合实际设计与调试经验,分析了设计该类装置时可能遇到的一些问题以及解决的方案㊂给出了研制的电压等级在100~600k V 的中小型E M P 模拟器驱动源的结构㊁参数与输出指标㊂通过紧凑型M a r x 发生器㊁低电感平板型薄膜电容器㊁低电感输出开关等关键部件与连接结构优化㊁器件参数选取,获得在驱动源接120~180Ω负载时可输出前沿1.2~2.7n s ㊁半宽32~41n s 的双指数波㊂关键词: 电磁脉冲; 驱动源; M a r x 发生器; 一级陡化; 环境模拟中图分类号: T N 78 文献标志码: A d o i :10.11884/H P L P B 201830.170401强电磁能量通过线缆㊁天线㊁孔缝等结构耦合到电力㊁电子系统中,造成系统硬件损伤㊁功能混乱,导致系统可靠性与安全性下降㊂E M P 模拟装置是用于产生模拟电磁环境㊁开展系统电磁效应与防护性能研究的实验平台㊂与真实电磁环境相比,单台模拟装置输出指标单一,无法满足不同系统或设备在不同电磁环境与不同实验标准下的实验要求[1-3]㊂为验证和加固各种军用和民用电子产品㊁电气设备和系统在复杂电磁环境下的生存能力,世界主要大国针对实际需求及自身E M P 模拟试验标准,建立了大量E M P 模拟装置[4]㊂特别是针对不同应用环境形成系列化产品的中小型E M P 模拟装置,对于开展器件级与分系统级E M P 效应试验,以及探索相关作用机理与规律非常重要㊂1 E M P 模拟装置组成与工作原理开展相关环境下的模拟试验是目前检验系统抗E M P 能力的直接手段之一,模拟器是产生E M P 试验环境不可或缺的设备㊂根据使用条件与模拟环境的不同,E M P 模拟装置主要分为导波式模拟器㊁偶极子模拟器与混合型模拟器三类[5]㊂无论哪种形式的E M P 模拟器,都主要由作为能源供应单元的脉冲功率驱动源和作为电磁能量发射单元的天线两部分组成㊂用于E M P 模拟器的脉冲功率驱动源一般包括初级储能单元㊁脉冲形成单元与天线负载耦合单元等㊂M a r x 发生器具有结构简单㊁性能可靠㊁调节方便㊁易于检修等诸多优点,作为初级储能单元被大量E M P 模拟装置采用[6-8]㊂特别是随着低电感快前沿M a r x 发生器技术的发展,基于M a r x 发生器的一级陡化模式的脉冲功率驱动源在输出电压等级百k V 至MV 量级的中小型E M P 模拟装置中得到了大量应用[9-11]㊂F i g .1 C i r c u i t d i a g r a mo f t h e p u l s e d r i v e r w i t ho n e -s t a g e s h a r p e n i n g 图1 一级陡化脉冲驱动源原理图 一级陡化脉冲驱动源主要由M a r x 发生器㊁陡化电容㊁输出开关与天线转接过渡段等组成,等效电路如图1所示㊂其中,C m 为M a r x 储能电容,L m 为储能回路串联电感,C p 为陡化电容,L s 为陡化回路电感,R L 为负载电阻,K 1,K 2为M a r x 开关和陡化开关㊂设M a r x 发生器输出电压为U 0,先假设L s 为零,令开关K 1在t=0时刻导通,则图1左侧回路放电,回路电流为i m =U 0ω0L m s i n ω0t (1)*收稿日期:2017-10-17; 修订日期:2018-03-17基金项目:强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室基金项目(S K L I P R 1602)作者简介:贾 伟(1978 ),男,硕士,副研究员,研究方向为强电磁脉冲环境生成与模拟㊁脉冲功率技术;ji a w e i @n i n t .a n .c n ㊂073203-2电容器C p 上电压为U C p (t )=U 0(1-c o s ω0t )(2)式中:ω0=1L m C p (C p ≪C m )㊂ 当t =π/2ω0时,陡化电容电压达到发生器电压U 0,此时图1左侧回路电流达到最大值㊂如左右两侧回路电流满足条件i m =U 0ω0L m s i n ω0π2ω0=U 0ω0L m =U 0R L (3)则可列出回路电压方程C m ʏi R d t +L m d i R d t +R L i R =U 0(4)求解此二阶方程,过阻尼情况下当临界比α=R L 2C m /L m 较大(例如α>5)时,回路电流i R 可近似为[2]i R (t )ʈU 0R L (e -t R L C m -e -(t L m )/R L )=U 0R L (e -t τ2-e -t τ1)(5)式中:τ1=L m /R L ,τ2=R L C m ㊂可见,此情况下电阻负载R L 上将获得一个双指数脉冲波形㊂ 考虑陡化回路电感L s 的影响,负载电流将有一个电感时间常数τL =L s /R L ,决定了负载R L 上所获得脉冲的前沿,脉冲半宽则由电容器(C m +C p )和负载R L 共同决定㊂因C p ≪C m ,则脉冲半宽主要由C m 与负载R L 决定㊂2 一级陡化E M P 模拟装置驱动源存在问题分析上述理论分析均为理想情况,且为便于方程求解做了大量近似,与实际E M P 模拟装置存在一定的差异㊂在E M P 模拟器驱动源设计时,上述理论对于装置关键参数选取与输出指标实现具有重要指导意义㊂但是,单纯以此作为参数选取依据,可能造成模拟器输出指标,如幅值㊁前沿㊁半宽㊁波形等无法满足设计要求㊂因此,需根据实际设计指标与使用条件,并结合设计与使用经验,对模拟器关键部件所取参数进行调整,以获取理想的波形输出㊂E M P 模拟装置天线系统阻抗一般在50~200Ω,国际标准中关于高空电磁脉冲考核波形的最新指标前沿在1~3n s ,半宽在25n s 左右[3,12]㊂由上述分析可知,采用一级脉冲陡化,模拟器输出脉冲半宽主要由C m 与负载R L 决定,则由此可求得M a r x 发生器建立电容量在百p F 至n F 量级㊂特别是为了获得更快的输出脉冲前沿希望负载阻抗取更大值时,M a r x 发生器建立电容量通常在百p F 量级㊂输出脉冲前沿主要由L s 和R L 决定,则在上述阻抗范围,L s 不能大于300n H ㊂为降低陡化回路电感,同时满足耐压要求,需尽量降低陡化电容器尺寸与容值(通常在200p F 以下)㊂在上述阻抗范围内,为同时满足M a r x 等效阻抗远小于负载阻抗㊁陡化电容取值在200p F 以下等条件,希望M a r x 发生器回路电感尽量控制在1μH 以下㊂2.1 陡化电容器取值 图1回路放电过程分析中,假设C m 远大于C p ,则充电过程中其上电压变化忽略不计㊂实际模拟器驱动源中C m 与C p 取值很难满足C p ≪C m 的条件,即C m 电压在给C p 充电过程中是变化的㊂因此,按照文献[13]中双回路放电过程的分析,需将陡化电容器估算公式由C p =L m /R 2L ,修正为C p =-C m 2+(C m 2)2+L m C m R 2L (6)2.2 M a r x 等效阻抗的影响 在模拟器驱动源设计阶段,通常要求R L ≫L m /C m ,即M a r x 发生器放电回路等效阻抗远小于天线负载阻抗㊂但实际取参数时,驱动源额定输出电压越高,所需M a r x 发生器的级数越多,则回路电感越大㊂在C m 值保持不变的情况下,发生器等效阻抗越大,越难满足上述设计要求㊂因此,在根据指标要求选取M a r x 级数,确定驱动源最大输出电压指标时,需考虑其等效阻抗对天线负载的分压作用㊂2.3 M a r x 发生器杂散电容的影响采用基于M a r x 发生器的一级脉冲陡化驱动源对于M a r x 发生器回路电感提出了极高要求㊂为降低回路强激光与粒子束电感,通常使M a r x发生器机芯十分紧凑,浸置在充有气体或液体绝缘介质的密封腔体中㊂这些措施可以有效降低发生器放电回路电感,但同时也会导致其内部对地和级间杂散参数,特别是对地杂散电容增加㊂各级对地杂散电容成并联关系,其容值求和可能与M a r x发生器建立电容相当㊂此时,因杂散电容充放电过程,将对整个驱动源电压输出效率与波形产生很大影响[14]㊂因此,在实际设计阶段需对驱动源整体结构参数进行合理优化,以降低参数失配对输出波形的影响㊂2.4其他考虑同时,还应该注意输出开关结构和击穿特性,以及陡化电容结构尺寸与布局对天线负载输出波形的影响㊂对于快放电过程,回路结构尺寸突变与不连续将会在输出脉冲前沿上叠加不必要振荡,导致输出波形质量变差㊂输出开关击穿特性好坏,直接决定了开关击穿时刻与击穿过程稳定性㊂对于陡化回路几十n s的充电时间,n s量级开关延时与抖动也可能对输出脉冲波形产生较大的影响㊂3基于M a r x发生器的中小型E M P模拟器驱动源由于E M P对电子装备耦合途径十分复杂,需要有全面的系统试验能力支持㊂研制一些可以覆盖更宽电压等级与试验范围的E M P环境模拟装置,适用于不同尺寸效应物的试验,可以有效促进我国电磁防护㊁评估与试验技术的发展㊂结合实际需求,研制了多台电压等级在百k V到MV量级的中小型E M P模拟器驱动源,与不同天线连接,用于各类关键设备子系统E M P效应研究与作用机理探索㊂3.1基于气体绝缘同轴型M a r x发生器的百k V驱动源对于电压等级在100~500k V的驱动源,通常采用气体绝缘同轴型M a r x发生器作为初级储能单元,其结构紧凑,重量轻,便于移动与操作㊂电压等级较低时,可将陡化单元与M a r x发生器做成一体化结构㊂M a r x发生器与陡化电容均做成同轴结构,与输出开关和天线过渡段串联,密封在外径尺寸相同的金属圆筒中㊂该设计的优点是结构紧凑㊁连续,减小回路电感,同时保证各段结构阻抗匹配,使输出波形易于达到设计要求㊂电压等级较高时,采用结构紧凑平板型电容器㊂为尽量降低陡化放电回路电感,陡化电容㊁输出开关与天线过渡段密封在一个充有S F6气体腔体中㊂采用气体绝缘同轴型M a r x作为E M P驱动源初级储能单元的优点是结构紧凑,电感小,但回路对地杂散电容较大;开关呈直线型安置在同一个沟槽中利于M a r x可靠建立,缺点是当电压等级较高时,电容串联级数较多,极大降低发生器运行可靠性,安装调试㊁维修保养也不方便㊂3.1.1100k V气体绝缘同轴型驱动源关键部件与整体结构如图2所示,由同轴型紧凑M a r x发生器㊁陡化电容器与输出开关一体化设计而成㊂M a r x发生器由5级额定电压20k V,容值2n F的陶瓷电容和5级两电极开关交替串联而成㊂5级开关由两两相对的金属圆球呈直线排列在一个尼龙沟槽中㊂陡化电容器由输出开关高压端电极与M a r x发生器输出端连接电极对地杂散电容构成,容值约70p F㊂整个驱动源全长967mm,直径(法兰位置)180mm ㊂F i g.2100k Vc o a x i a l u l t r a-c o m p a c t d r i v e r 图2100k V 同轴型超紧凑驱动源F i g.3 L a y o u t o f t h e d r i v e r c o n n e c t e dw i t h t h e120Ωa n t e n n a图3驱动源接120Ω天线负载时布局图当驱动源接120Ω天线负载时,如图3所示,输出电压波形如图4所示,脉冲前沿1.8n s,半宽40n s左右,幅值在50~100k V之间可调[15]㊂3.1.2300k V气体绝缘紧凑驱动源驱动源关键部件300k V M a r x发生器与陡化电容器内部结构如图5所示㊂M a r x发生器机芯由10个额贾伟等:基于M a r x发生器的中小型电磁脉冲模拟器驱动源073203-3073203-4F i g.4 O u t p u t p u l s ew a v e f o r mo f t h e d r i v e rc o n n e c t e dw i t h t h e120Ωa n t e n n a图4100k V驱动源接120Ω天线负载时输出电压波形定电压30k V,容值5600p F陶瓷电容器和10个独立封装的气体开关交替串联而成㊂陡化电容为平板型电容器,由多层聚酯薄膜与金属电极堆叠而成,并固定封装在一个可以充高气压的绝缘腔体中[16]㊂电容器容值58p F,自感小于25n H,绝缘腔体可耐受1.5M P a 气压㊂图6为包括同轴型M a r x发生器㊁陡化电容㊁输出开关和天线过渡段300k V气体绝缘超紧凑驱动源示意图㊂其中陡化电容㊁输出开关与天线过渡段被放置在一个内部充S F6气体的有机玻璃腔体中㊂驱动源300k V M a r x发生器长度858mm,直径(法兰位置)340mm ㊂F i g.5 M a r x g e n e r a t o r a n d p e a k i n g c a p a c i t o ro f t h e300k Vu l t r a-c o m p a c t d r i v e r 图5300k V超紧凑驱动源M a r x发生器与陡化电容 F i g.6 L a y o u t o f t h e300k V g a s-i n s u l a t e dd r i ve rw i t hu l t r a-c o m p a c t s t r u c t u r e 图6300k V气体绝缘超紧凑驱动源示意图当驱动源末端接120Ω匹配负载时,脉冲源输出电压波形如图7所示㊂脉冲前沿达2.1n s,半宽41n s,幅值在90~310k V之间可调㊂F i g.7 O u t p u t v o l t a g ew a v e f o r mo f t h e300k Vd r i v e r c o n n e c t e dw i t h120Ωd u mm y l o a d图7驱动源接120Ω假负载时输出电压波形3.2基于油绝缘直线型M a r x发生器的百k V驱动源对于电压等级在0.5~1MV的驱动源,通常采用油绝缘直线型M a r x发生器作为该类脉冲源的初级储能单元㊂陡化电容采用图5中所示的平板电容器,与输出开关和天线过渡段一起放置在一个内部充有六氟化硫(S F6)气体的绝缘腔体中㊂该设计的优点是结构简单,易于实现,可以兼顾高输出电压与结构紧凑,且调试与维修方便㊂缺点是结构不够紧凑,回路电感偏大,且对地杂散电容过大时容易对主放电波形产生影响㊂因此,需在设计与调试阶段对回路参数进行迭代优化㊂研制的500k V基于油绝缘直线型M a r x发生器的驱动源,结构如图8(a)所示㊂直线型M a r x发生器由12个额定电压60k V,容值3.6n F的塑壳电容器和6个百k V紧凑型低电感气体开关呈直线排列组成,电容器正负充电㊂发生器整体尺寸为1.65mˑ0.8mˑ0.8m㊂陡化电容㊁输出开关与天线过渡段密封在一个充有S F6气体的玻璃钢箱体中,箱体最大充气压力0.02M P a㊂陡化电容外径315mm,高度59mm,自身电感不大于17强激光与粒子束贾伟等:基于M a r x发生器的中小型电磁脉冲模拟器驱动源n H,容值55p F ㊂F i g.8 D r i v e r b a s e do n t h e o i l-i n s u l a t e d M a r x g e n e r a t o rw i t h t h e c a p a c i t o r s a r r a n g e d i n l i n e图8基于油绝缘直线型M a r x的驱动源驱动源末端接180Ω假负载时,输出电压脉冲前沿1.2n s,半宽32n s㊂当接等阻抗有界波天线时,输出电压波形如图9所示,脉冲前沿2.7n s,半宽30n s㊂输出电压脉冲幅值在200~600k V可调㊂F i g.9 O u t p u t v o l t a g ew a v e f o r mo f t h e500k Vd r i v e r c o n n e c t e dw i t h t h e180Ωa n t e n n a图9500k V驱动源接180Ω天线负载时输出电压波形4结论对基于M a r x发生器的一级脉冲陡化E M P模拟器驱动源基本构成与工作原理进行了介绍㊂结合实际设计与调试经验,分析了该类装置等效电路解析推导参数过程中所做的近似对其实际参数选取与输出指标的影响,并给出了一定的解决方案㊂为满足不同尺寸效应物抗E M P性能试验需求和全面完善E M P试验能力,研制了电压等级在100~600k V的中小型E M P模拟器驱动源㊂电压等级在100~500k V驱动源,采用气体绝缘同轴型M a r x作为初级储能单元,驱动源输出电压分别为100k V和300k V㊂100k V驱动源接120Ω天线时,输出脉冲前沿1.8n s,半宽40n s;300k V驱动源接120Ω假负载时,输出脉冲前沿2.1n s,半宽41n s㊂电压等级在0.5~1MV的驱动源,采用油绝缘直线型M a r x作为初级储能单元㊂500k V驱动源接180Ω假负载时输出脉冲前沿1.2n s,半宽32n s;接180Ω天线时,输出脉冲前沿2.7n s,半宽30n s㊂参考文献:[1]邱爱慈.脉冲功率技术应用[M].西安:陕西科学技术出版社,2016.(Q i uA i c i.A p p l i c a t i o no f p u l s e p o w e r t e c h n o l o g y.X i a n:S h a a n x i S c i-e n c e a n dT e 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t o n g U n i v e r s i t y,X i a n710049,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t om e e t t h e r e q u i r e m e n t s o f a n t i E M P p e r f o r m a n c e t e s t o f t h e d i f f e r e n c e s i z e e f f e c t t e s t c o m p o u n d s,a n d t o g e n e r a t e t h e s i m u l a t e dE M P e n v i r o n m e n t sw i t hm o r e c o m p r e h e n s i v e c o v e r a g e a n dm o r e i d e a l w a v e f o r m,i n t h e p a p e r,t h e b a s i c c o m p o s i t i o n a n dw o r k i n gp r i n c i p l e o f t h eE M P-s i m u l a t o r d i v e rw i t ho n e-s t a g e p u l s e s h a r p e n i n g a n db a s e do n t h eM a r x g e n e r a t o r a r e i n t r o d u c e d.A c c o r d i n g t o t h e a c t u a l e x p e r i e n c e s o f d e s i g na n dd e b u g g i n g o f t h i sk i n do f d e v i c e s,s o m e p r o b l e m s t h a tm a y b e e n c o u n t e r e dw h e nu s i n g t h e i d e a l p r i n c i p l e t o d e s i g n t h e s e d r i v e r s a r e a n a l y z e d,a n d s o m e t a r g e t e d s o l u t i o n s a r e p r o v i d e d.I n a d d i-t i o n,s o m e d r i v e r s f o r t h e s m a l l-a n d-m i d d l e s c a l eE M P s i m u l a t o rw i t h r a t e d o u t p u t v o l t a g e o f100-600k Va r e d e v e l o p e d.W i t h t h e d e v e l o p m e n t o f s u p e r c o m p a c tM a r x g e n e r a t o r,c o m p a c t f l a t-f o r mf i l mc a p a c i t o r a n d l o wi n d u c t a n c e o u t p u t s w i t c h,t h e o p t i m i z a-t i o no f t h e c o n n e c t i o n s t r u c t u r e,a n d t h e s e l e c t i o no f r e a s o n a b l e p a r a m e t e r s,t h e s ed r i v e r s c o n n e c t e dw i t ht h e l o a do f120-180Ωc a n p r o d u c e t h e i d e a l d o u b l e e x p o n e n t i a lw a v e f o r m sw i t h t h e r i s e t i m e o f1.2-2.7n s a n d t h eh a l fw i d t ho f32-41n s.K e y w o r d s:e l e c t r o m a g n e t i c p u l s e; E M Pd r i v e r;M a r x g e n e r a t o r; o n e-s t a g e p u l s e s h a r p e n i n g;e n v i r o n m e n t s i m u l a-t i o nP A C S:84.30.N g;41.60.B q073203-6。
基于MARX电路的高斯脉冲信号源的设计与实现
基于MARX电路的高斯脉冲信号源的设计与实现文章对高斯脉冲信号在电磁兼容测试方面的应用进行了概述，讲述了雪崩三极管以及MARX电路的基本理论，采用雪崩三极管组成MARX电路来生成高斯脉冲信号的原理，分析MARX电路结构对脉冲的影响，对波形各项指标进行了分析和规律总结。
设计了基于MARX电路和雪崩三极管的高斯脉冲信号发生器，脉冲幅值800V（50欧负载），半高宽2ns，重复频率从1kHz至20kHz可调，工作状态稳定已持续工作数十小时，对脉冲源的改进提出了设想。
标签：雪崩三极管；MARX电路；脉冲源；电磁兼容引言随着科学技术的发展，电子系统和设备的数量与日俱增，性能也在不断提高，并正向高频率、宽频带、高集成度、高可靠性、高精度和高灵敏度方向发展。
与此同时，电磁干扰的问题势必越来越严重，现已成为电子系统和设备正常工作的突出障碍。
在实际工作环境中，随着设备的增多，多个设备共同工作在同一环境下，设备之间会产生扰动，特别是在大型的设备与机器上，同时工作的元器件多达几百甚至上千个，电磁环境非常复杂，导致设备的故障率大幅提高，如何对设备的电磁兼容环境进行测试成为一个热点问题。
高斯脉冲信号具有功率大，频谱广的特点，能够覆盖设备的各个敏感点，有利于模拟真实的电磁环境。
高斯脉冲信号生成电路在军工、科研、雷达探测、超宽带传输等多个领域具有重大的作用，是当前研究热点。
1 雪崩三极管的二次击穿雪崩三极管是一类专门用于工作在雪崩区的三极管，具有较高的Vceo与Vcbo，在脉冲状态下最大工作电流可以达到几十安。
这类雪崩三极管通常可以工作在负阻区，并具有二次击穿的特性，非常符合脉冲生成电路的制作要求。
负阻效应是指当三极管工作在雪崩区时，Vce随Ic的增大而减小的效应。
二次击穿指当三极管工作在雪崩区时，它的工作点并不稳定，当电流继续增大时会发生二次击穿，此时的电流非常大。
如图1所示：当雪崩三极管处于第一次雪崩时，工作在c点，而随着电流增大，导致工作点的上移至b点，而b点的工作状态并不稳定，雪崩三极管发生2次击穿，此时工作点继续上移至a点。
基于雪崩管的增强型MARX纳秒脉冲源试验研究与实现
基于雪崩管的增强型MARX纳秒脉冲源试验研究与实现第一章：绪论1.1 研究背景和意义1.2 国内外研究现状1.3 研究内容和目标1.4 研究方法和步骤第二章：增强型MARX纳秒脉冲源原理及设计2.1 多级马克斯发生器（MARX）的原理2.2 增强型MARX纳秒脉冲源的设计2.3 雪崩管的结构和工作原理2.4 大电容器的设计与选择2.5 纳秒脉冲源的输出特性分析第三章：实验系统的设计与实现3.1 实验系统的总体设计方案3.2 实验系统的电路设计与调试3.3 雪崩管的性能测试与筛选3.4 大电容器的制作与测试3.5 实验系统的其它元器件的选配与调试第四章：实验结果分析4.1 实验参数的控制与调节4.2 脉冲输出特性的测量与分析4.3 载荷特性的测量与分析4.4 实验结果对比分析与讨论第五章：结论与展望5.1 实验结果总结5.2 存在问题及展望5.3 未来工作的方向和重点参考文献第一章：绪论1.1 研究背景和意义随着现代科技的发展，纳秒脉冲技术在军事、航空、航天等领域中得到了广泛应用。
例如，在电磁脉冲武器中，纳秒脉冲可以产生高能量的电磁波，能够对敌方通讯、雷达等设备及电子设备造成严重干扰；在高能粒子物理实验中，纳秒脉冲可以产生高亮度的同步辐射，为研究物质微观结构提供重要手段等。
因此，纳秒脉冲技术的研究和应用具有重要的科学和实用价值。
其中，马克斯发生器（MARX）是可重复产生高压、纳秒电脉冲的一种电路结构。
MARX电路结构由多个串联的大电容器和小电感组成。
在每个大电容器充电到一定电压之后，通过高压开关将电容器串联起来。
通过这样的串联与充电与放电的循环过程，可以在输出端获得高压、纳秒脉冲信号。
但是，MARX脉冲源输出能量密度低、波形精度差的问题限制了其在很多领域的应用。
为此，一些研究学者开始探索如何提高MARX脉冲源的能量密度和波形精度。
增强型MARX纳秒脉冲源是近年来研究的热点之一，采用雪崩管作为高压开关，并增加了大电容器和电感，可以提高脉冲源的输出能量密度和波形精度，为这些领域的技术和应用提供了更好的工具。
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4
新型半导体脉冲功率器件的特性比较
器件类型 DSRD RSD SOS PCSS
脉冲峰值电压 20 kV 16 kV 250 kV 14 kV
脉冲峰值电流 100 A 150 kA 3 kA 250 A
器件串联数量 10 10 260 1
最高频率 600 kHz 100 Hz 1 kHz 1 kHz
脉宽
10 kHz 1 MHz 20 kHz
SIT
SITH MCT
1.2 kV
1.5 kV 3 kV
300 A
300 A 2 kA
100 kHz
10 kHz 20-100 kHz
10’s kW
10’s kW 10’s kW
1 kA/μs
500 A/μs 1 kA/μs
500 ns
1 μs 500 ns
+
+
C1 S41 S31 S42
C2
+
全桥级联电路
负载
b) 双极性全固态 Marx 发生器示意图 a) 半桥级联型电路 b) 全桥级联型电路
多电平级联式逆变器
双极性全固态Marx电路：半导体开关隔离
S2n
+ Can San Dan + Ca2 Sa2 Da2 + Ca1 Sa1 Da1 + VDC – S11 + Cb1 S21 Sb1 Db1 S12 + Cb2 S22 Sb2 Db2 负 载 S1n + Cbn S2n Sbn Dbn
•MOSFET Gate Voltage
采用MOSFET的Marx发生器
•MOSFET Gate Voltage
采用MOSFET的Marx发生器
•MOSFET Gate Voltage
采用MOSFET的Marx发生器
•MOSFET Gate Voltage
固态开关MARX发生器相关技术
驱动负载类型 输出电压极性 充电隔离 波形调节 开关驱动 短路保护 输出波形特性
RB1
S21 S11
+ C1
S31 S41
全固态Marx发生器驱动及短路保护
•固态Marx 发生器波形调节
电压过冲和上升沿校正
基于IGBT的单极性全固态Marx发生器
+ C24 Sc24 Sd24 D24
20
+ C2 Sc2 Sd2 + C1 Sc1 – VDC + Sd1 D1 D2 负 载
电压
•0
•C* R >= (10~20) C/n * RL
气体开关MARX 发生器
•并联充电
•串联放电
气体开关Marx发生器
•V
0
•C1
•C2
•C3
•C4
•RL
气体开关Marx发生器原理
•V
0
•C1
•C2
•C3
•C4
•RL
固态开关Marx发生器
•V
0
•C1
•C2
•C3
•C4
•RL
采用MOSFET的Marx发生器
Scn Sdn Dn Cn
负 载
负脉冲电路
•变压器隔离充电Marx 发生器
双极性全固态H-半桥 和H-全桥逆变式电压叠加器
双极性全固态H-半桥和H-全桥电路
+
+
Ca1
S11 S21
Ca2
S12 S22
Can
+
S1n S2n
+
+
Cb1
Cb2
Cbn
+
半桥级联电路
负载
a)
S11 S21 S12 S22 S1n Cn S32 S4n S3n S2n
电流
300 Hz 500 Hz 1 kHz
额定频率
额定功率
100’s MW 10’s MW 100’s MW 1 MW 100 kW 100’s kW
上升沿
500 A/μs 1 kA/μs 2 kA/μs 1 kA/μs 2 kA/μs 1 kA/μs 10 ms 1 ms 1 ms 1 μs 200 ns 600 ns
RBn Trn
S2n S1n
+ Cn
S3n S4n
高频 交流 电源
RB2 + Tr2 Ca2 S12 RB1 + Tr1 Ca1 S11 + Cb1 S21 Tr1 + Cb2 S22 负 载 高频 交流 电源
Time (50 ns/div)
RB2 Tr2 S22 S12 + C2 S32 S42 负 载
S3n + Cn S4n
San Dan
S1n
S22 Sa2 Da2 S21 Sa1 Da1 + VDC – S11 + C1 S12 + C2
S32 S42 负 载
S31 S41
a)半桥电路
b)全桥电路
隔离充电型全固态脉冲叠加器：单向脉冲
RBn Cn Trn Trn
RBn Sdn +
C Dn n
+
负脉冲电路
负载
•分布式电感隔离Marx 发生器
•集中式电感隔离型Marx 发生器
半导体开关隔离固态Marx发生器
• 采用半导体开关进行充电、放电隔离
D1 VDC Sd1 C1 Sd2 D2 C2 Sdn Dn Cn
负 载
正脉冲电路
Sc1
Sc2
Scn
Sc1 VDC Sd1 D1
Sc2 C1 Sd2 D2 C2
开关直接串联存在的问题
高压击穿危险，开关之间需加均压保护 同时触发导通，同时关断 承受关断时的直流高压
2-1、通过二极管钳位的固态开关串联 脉冲电压叠加
课后思考题：该电路如何工作？嵌位二极管如何设计？
•传统气体开关的MARX发生器
基于MARX 原理的升压电路
•充电时间常数：
• Tc = R1+ n *R* n * C •放电时要求：
• 高重复频率 • 高峰值电流 • (具有关断能力)
• 电流上升沿快 • 有些不需要关断， 依靠电流自然关断， 触发结构可简化
二、固态开关脉冲电压叠加技术
2-1、固态开关代替气体开关的 产生脉冲电压
固态开关：BJT、MOSFET、 IGBT 、SCR 、GTO、 IGCT
2-1、固态开关直接串联
•-
•C2
•-
•C3
•-
•C4
•RL
采用MOSFET的Marx发生器
•V
0
•+ •-
•+
•+
•+
•C1
•-
•C2
•-
•C3
•-
•C4
•L
采用MOSFET的Marx发生器
•MOSFET Gate Voltage
采用MOSFET的Marx发生器
•MOSFET Gate Voltage
采用MOSFET的Marx发生器
Sdn Dn Trn
RBn Trn Cn +
RBn
Sdn
Cn Dn +
Sdn Dn
高频 交流 电源
高频 RB2 C2 交流 电源 Tr2 Tr2
RB2 Sd2 + D2
C2
+ 负 载
Sd2 高频 交流 D2 电源
负 载
RB2 Sd2 高频 RB2 负 C2 C2 交流 载 + + D2 Tr2电源 Tr2
高频 交流 电源
Tr2
RB2 高频 交流 电源
RB2 + Tr2 Ca2 S12 + Cb2 S22 RB1 + + Ca1 S11 Cb1 S21 + Ca1 S11 + Cb1 S21 Tr1 Tr1 RB1 Tr1 S21 RB S31 + 1 S11 C1 S41 S21 S11 + C1 S31 S41 + 负 C a2 载 S12 + 高频 C b2 交流 电源 S 22 负 载 T RB2 高频 交流 电源 S22 RB2 + Tr2 S12 C2 S32 S42 S22 S12 +负 载 C2 S32 S42 负 载
Sd2 D2
负 载
RB1 C1 Tr1 Tr1
RB1 Sd1 + D1 C1
+
Sd1 D1 Tr1
RB1 Tr1 C1 +
RB1 Sd1 C1 D1 +
Sd1 D1
a)正向脉冲产生电路
a)负向脉冲产生电路
隔离充电型全固态脉冲叠加器：双向脉冲
RBn Trn Trn RBn + Can S1n + Cbn S2n + Can S1n + Cbn S2n Trn RBn S2n RBn S3n + Trn S1n Cn S4n S2n S1n + Cn S3n S4n
Load voltage (kV)
16 12 8 4 0
Time (500ns/div)
输出电压上升、顶降及下降沿的影响因素
• 顶降 • 开关速度+ 回路电感 • 驱动信号的同步性 • 回路杂散电感和分布电容
∆U = i ∆t/C
输出脉冲电压顶降与电容关系
固态开关MARX发生器分布电容 及波形截尾技术
load
Logo
•1: Positive switches
•2: Negative switches
Ta1
充电开关及放电开关工作模式